2020新教材高中物理第十二章电能能量守恒定律4闭合电路的分析练习(含解析)新人教版必修第三册

闭合电路的分析
一能量守恒定律的应用
1.能量的形式:
(1)含义:一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能量,又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功,因此这些物体都具有能量,流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。

(2)能量的转化与能量的转移:各种不同形式的能量可以相互转化,而且在转化过程中总量保持不变,也就是说当某个物体的能量减少时,一定存在其他物体的能量增加。

(3)功是能量转化的量度:不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是各种形式的能量转化的过程,且做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化(或转移)的量度。

2.能量守恒定律的表达式:
(1)E初=E终
(2)ΔE增=ΔE减
3.自然界中的宏观现象具有方向性:
(1)能量耗散:燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。

(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。

(3)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的高品质降级为不大可用的低品质形式。

【思考·讨论】
(1)如图是小型汽油机模型,汽油机在工作过程中能量是怎样转化的? (科学思维)
提示:汽油燃烧时化学能转化为内能,汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。

(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗? (物理观念)
提示:不能,因为内燃机工作时总有内能损失,不可能全部转化为机械能。

【典例示范】如图所示是一种太阳能草坪节能灯,太阳能电池板供一只“10 V
9 W”的电子节能灯工作,若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2,平均1小时得到的太阳辐射能为4×105 J,太阳光平均一天按8小时计算,恰好可以供电子节能灯工作10小时。

问:(结果保留整数)
(1)太阳能节能灯的能量转化情况;
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少?
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少?
【解题探究】
(1)草坪节能灯能把太阳能直接转化为光能吗?
提示:不能,先把太阳能转化为电能,电能再转为光能(热能)。

(2)草坪节能灯能把照射到太阳能电池板上的光全部转化为电能吗?
提示:不能,太阳光照射到太阳能电池板上要反射一部分太阳光;光电转化的效率也比较低。

【解析】(1)能量转化:太阳能→电能→光能(热能)。

(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率:
P=W≈370 W
(3)节能灯利用太阳能的效率:η=×100%=10%
答案:(1)见解析(2)370 W (3)10%
【素养训练】
1.从能量的转化与守恒的角度理解,太阳能草坪节能灯 ( )
A.创造了电能
B.草坪节能灯白天储存太阳能,晚上再把太阳能释放
C.创造了太阳能
D.把太阳能转化成了电能,电能再转化为光能
【解析】选D。

根据能量守恒定律,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变。

草坪节能灯把太阳能转化成了电能,电能又转化为光能,故D正确,A、B、C错误。

2.下列说法正确的是( )
A.随着科技的发展,节能灯利用太阳能的效率能达到100%
B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了
C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的
D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量可以凭空产生
【解析】选C。

A项说法虽然没有违背能量守恒定律,但是从能量耗散的角度可知自然界中的自发变化过程具有方向性,A错误;太阳辐射大量的能量,地球只吸收了极少的一部分,使万物生长,但辐射到宇宙空间的能量也没有消失,而是转化成了其他形式的能量,B错误;马和其他动物,包括人,要运动,必须消耗能量,C正确;所谓“全自动”手表,内部还是有能量转化装置的,一般是一个摆锤,当人戴着手表活动时,使摆锤不停摆动,给游丝弹簧补充能量,才会维持手表的运行,如果把这种手表放在桌面上静置几天,它一定会停止走动的,D错误。

3.(多选)下列对能量耗散理解正确的是( )
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但可以凭空消失
D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
【解析】选B、D。

在发生能量转化的宏观过程中,其他形式的能量最终转化为流散到周围环境的内能,无法再回收利用,这种现象叫能量耗散,能量耗散并不违反能量守恒定律,宇宙中的能量既没有减少,也没有消失,它从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,故A、C错误,B、D正确。

【补偿训练】
(多选)下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是( )
A.某种形式的能量减少,一定存在其他形式能量的增加
B.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了
【解析】选A、B、C。

A选项是指不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的;B选项是指能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移;第一
类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律;所以A、B、C正确。

D选项中石子的机械能在变化,比如受空气阻力作用,机械能可能减少,但机械能并没有消失,能量守恒定律表明能量既不会创生,也不会消失,故D错误。

二能源的分类与应用
1.地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能:
2.能源的分类:
能源分类方法能源分
类名称
特点举例
按是否可再生可再生
能源
可循环使用、不断补充水能、风能、潮汐能不可再
生能源
短期内无法转换获得煤、石油、天然气
按对环境污染情况
清洁
能源
对环境基本没有污染太阳能、风能、水能污染能源会严重污染环境煤、石油、天然气
3.能源和环境污染:
(1)温室效应:石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量,由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用,且像暖房的玻璃一样,只准太阳光的热辐射进来,不让室内长波热辐射出去,使地球气温上升,这种效应叫温室效应。

(2)酸雨:酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。

形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油,以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高,形成“酸雨”,腐蚀建筑物、酸化土壤。

(3)光化学烟雾:内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应,产生氮氧化合物和碳氢化合物。

这些化合物在大气中受到紫外线的照射,产生二次污染物质——光化学烟雾。

这些物质有毒,能引起人的多种疾病。

(4)常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物。

【典例示范】
(多选)以下说法正确的是( )
A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B.汽油是一种清洁能源
C.水能是可再生能源
D.煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的
【解析】选A、C。

煤、石油、天然气等是动植物转化成的,其最初来源可追溯到太阳能,选项A对;汽油燃烧会引起一些化合物的产生,导致有毒气体的生成,选项B错;水能是可再生能源,选项C对;煤、石油、天然气等储量是有限的,是不可再生能源,选项D错。

【素养训练】
1.(多选)关于“温室效应”,下列说法中正确的是 ( )
A.太阳能源源不断地辐射到地球上,由此产生了“温室效应”
B.石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量,由此产生了“温室效应”
C.“温室效应”使得地面气温上升,两极冰雪融化
D.“温室效应”使得土壤酸化
【解析】选B、C。

“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量。

它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水河流倒灌、耕地盐碱化等,故B、C正确。

2.下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A.用煤作为燃料供热
B.用石油作为燃料供热
C.用天然气或煤气作为燃料供热
D.用太阳能灶供热
【解析】选D。

煤、石油、天然气等燃料的利用,使人类获得大量的内能,但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧不充分,使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质,污染了大气,而太阳能是一种无污染的能源,故选D。

【补偿训练】
(多选)CO2气体有个“怪脾气”,它几乎不吸收太阳的短波辐射,大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升;另外,它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用,阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放,使整个地球就像一个大温室一样,因此,大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升,使全球气候变暖。

为了减缓大气中CO2浓度的增加,以下措施中可行且有效的
是( )
A.禁止使用煤、石油和天然气
B.开发使用核能、太阳能
C.将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D.植树造林
【解析】选B、D。

可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用,减少CO2的排放;植树造林可以吸收空气中的CO2,所以选项B、D正确。

选项A、C措施虽然有效,但并不可行。